鳳陽山典型林分土壤有機碳特征1)

陳美玲 趙友朋 張金池 王宇浩 孟苗婧 劉鑫 李翀 謝德晉

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210037)

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的“碳匯”，森林土壤中有機態(tài)形式的碳約1 400～1 500 Gt，約是陸地植被碳庫的2～3倍[1]，在全球碳平衡和氣候變化中發(fā)揮著不可替代的作用[2]。森林類型的轉(zhuǎn)化被認(rèn)為是森林土壤碳動態(tài)變化的重要驅(qū)動力，并直接影響土壤碳的儲存[3]。土壤有機碳、總氮、pH、孔隙度、密度等理化性質(zhì)，均是土壤肥力、結(jié)構(gòu)和質(zhì)量評價的重要指標(biāo)[4-5]。

在過去的10 a中，亞熱帶地區(qū)的許多地區(qū)，將天然林大規(guī)模地轉(zhuǎn)化為人工林[6]。森林類型轉(zhuǎn)化，可以改變地表植物組成，進而通過改變植物根系、凋落物和土壤微生物群落，改變土壤條件[7]；土壤有機質(zhì)和pH驅(qū)動了森林類型轉(zhuǎn)化后細(xì)菌群落的變化[8]；氮磷儲量動態(tài)[9]、碳降解酶活性[10]、土壤水解酶和氧化酶活性[11]、真菌群落[12]、微生物共生網(wǎng)絡(luò)[13]，也受森林類型轉(zhuǎn)化的影響。

鳳陽山自然保護區(qū)為森林生態(tài)的自然保護區(qū)，原為常綠闊葉林[14]。20世紀(jì)70年代，該區(qū)域進行了部分間伐和補植，產(chǎn)生了幾種新的森林類型，包括針闊混交林、杉木林和竹林等[15]。幾種新的森林類型，改變了土壤的飽和導(dǎo)水率[15]、土壤納米尺度孔隙[7]、土壤細(xì)菌群落組成和多樣性[16]。但是，關(guān)于原始森林類型轉(zhuǎn)化后，對土壤碳、土壤理化性質(zhì)影響的研究較少。為此，本研究于2016年8月份，在浙江省鳳陽山海拔1 300～1 400 m選取4種主要林分類型(常綠闊葉林、針闊混交林、杉木林、竹林)為研究對象，每種林分設(shè)置3個標(biāo)準(zhǔn)樣地(20 m×20 m)；在每個標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)，用“S”型方法，布設(shè)5個樣點，按照2個土層深度(h)0

1 研究區(qū)概況

研究試驗區(qū)位于錢江源-百山祖國家公園龍泉保護中心內(nèi)(東經(jīng)119°6′～119°15′、北緯27°46′～27°58′)。保護區(qū)內(nèi)地形地貌復(fù)雜多樣，主峰黃茅尖海拔1 929 m，是江浙地區(qū)第一高峰。鳳陽山屬于中亞熱帶溫暖濕潤氣候區(qū)，區(qū)內(nèi)森林覆蓋率高達95%，全年降水量2 400 mm，年蒸發(fā)量1 171.0 mm，年平均氣溫12.3 ℃。保護區(qū)內(nèi)植物種類多樣，有部分原始的亞熱帶常綠闊葉林，于1971—1973年補植后，形成針闊混交林、竹林、杉木林等新的森林類型；優(yōu)勢樹種，主要有短柄枹(Quercusglandulifera)、黃山松(Pinustaiwanensis)、木荷(Schimasuperba)、紅豆杉(Taxuswallichiana)、馬尾松(Pinusmassoniana)、多脈青岡(Cyclobalanopsismultinervis)、板栗(Castaneamollissima)、杉木(Cunninghamialanceolata)、雷公鵝耳櫪(Carpinusvimineawall)等[17]。

2 研究方法

2016年8月份，選取保護區(qū)海拔1 300～1 400 m的4種林分，常綠闊葉林、針闊混交林、杉木林、竹林。每種林分設(shè)置3個20 m×20 m重復(fù)樣地(見表1)，對樹木的種類、樹高、胸徑、林齡、郁閉度等進行調(diào)查測定。

表1 樣地森林類型基本特征

每個標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)清除土壤表層枯枝落葉，依據(jù)“S”形走向布設(shè)5個樣點，挖取土壤剖面，然后剔除根系、石塊等雜物；根據(jù)研究區(qū)土壤結(jié)構(gòu)，按照2個土層深度(h)0

土壤總氮(TN)，采用元素分析儀測定[18]；土壤密度、孔隙度，采用環(huán)刀法測定[19]；土壤pH，采用pH計測定(V(水)∶m(土)為2.5 mL∶1.0 g)[17-18]；土壤總有機碳，采用重鉻酸鉀外加熱法測定[20]。

顆粒有機碳的測定[21]：風(fēng)干20 g土樣過2 mm篩，倒進已經(jīng)注入100 mL質(zhì)量濃度為5 g/L的六偏磷酸鈉[(NaPO3)6]的250 mL三角瓶；90 r·min-1恒溫震蕩18 h并過53 μm篩，然后蒸餾水反復(fù)沖洗至水清澈只存篩上留存物，烘箱60 ℃烘干至恒質(zhì)量(約48 h)，即為顆粒有機碳質(zhì)量，計算其質(zhì)量占土壤樣品總質(zhì)量的比例。

土壤礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機碳測定：土壤總有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)-土壤顆粒有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)[17-18]。

應(yīng)用方差分析法(ANOVA)對不同林分和不同土層間單因素差異性分析，采用最小顯著性差異法(LSD)分析顯著相關(guān)性[22]。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林分土壤有機碳組成特征

3.1.1 土壤有機碳特征

由表2可見：4種林型的土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，常綠闊葉林在0

地表植被類型、微生物活動和人為活動等因素，綜合影響土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)[23]。但相關(guān)研究表明，不同的林分類型對土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響不同[24]。本研究中，4種類型林分，常綠闊葉林和針闊混交林的土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，比竹林和杉木林的土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)略高。常綠闊葉林的土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)比杉木和竹林的高，主要是因為常綠闊葉林植物物種豐富，枝繁葉茂，地表凋落物較多[25]，因此生物歸還量大，有更多的外源有機物料的輸入；而竹林和杉木林林分單一，地表凋落物有限，生物歸還量也相對較少。其次，常綠闊葉林的根系龐大，冠層密集，可以通過攔截降雨，大幅增強土壤膠結(jié)物質(zhì)的穩(wěn)定性，從而促進團聚體形成，有利于有機碳的穩(wěn)定和降低土壤表層的養(yǎng)分流失。這是常綠闊葉林的土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的重要原因。

表2 不同林分類型各土層的土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.1.2土壤顆粒有機碳和礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機碳及其碳組分特征

根據(jù)物理大小組分，按照顆粒大小將有機碳(SOC)分為顆粒有機碳(POC)和礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機碳(MOC)。

由表3可見：在0

表3 不同林分類型各土層的土壤顆粒有機碳、礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其占總有機碳質(zhì)量比例

土層(h)/cm土壤顆粒有機碳占總有機碳質(zhì)量比例/%常綠闊葉林針闊混交林杉木林竹林0

土層(h)/cm土壤礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)/g·kg-1常綠闊葉林針闊混交林杉木林竹林0

土層(h)/cm土壤礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機碳占總有機碳質(zhì)量比例/%常綠闊葉林針闊混交林杉木林竹林0

顆粒有機碳對有機質(zhì)的降解起抑制作用，遭到破壞后的分解物充當(dāng)土壤團聚體膠結(jié)劑的作用；礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機碳主要是腐殖化的有機物質(zhì)，受到了土壤黏粒和粉粒保護，因此狀態(tài)相對穩(wěn)定，可以保存較長時間，對有機碳的穩(wěn)定起著重要作用[26]。本研究中，在15 cm

3.1.3 土壤細(xì)顆粒有機碳和粗顆粒有機碳特征

根據(jù)土壤顆粒粒徑(d)將顆粒有機碳分為粗顆粒有機碳(d>0.25 mm)、細(xì)顆粒有機碳(d≤0.25 mm)[27]。

由表4可見：從整體剖面看，除竹林外，其他3種林分類型土壤細(xì)顆粒有機碳(FPOC)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，均隨土層深度的增加呈逐漸降低；4種林分類型在0

表4 不同林分類型各土層的土壤細(xì)顆粒有機碳、粗顆粒有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其占總有機碳質(zhì)量比例

土層(h)/cm土壤細(xì)顆粒有機碳占總有機碳質(zhì)量比例/%常綠闊葉林針闊混交林杉木林竹林0

土層(h)/cm土壤粗顆粒有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)/g·kg-1常綠闊葉林針闊混交林杉木林竹林0

土層(h)/cm土壤粗顆粒有機碳占總有機碳質(zhì)量比例/%常綠闊葉林針闊混交林杉木林竹林0

本研究表明，在表層土壤(0

3.2 土壤有機碳與理化性質(zhì)的相關(guān)性

由表5可見：在15 cm

本研究表明，各林分中土壤有機碳和總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著土層加深顯著減少，具有“表層聚集”的特征[32-33]。主要原因，一方面是微生物代謝活動給供給森林養(yǎng)分，另一方面是地表植被枯落物、植物根系、凋落物分解釋放了大量植物生長所需的營養(yǎng)元素，表層的有機質(zhì)、腐殖質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)大量聚集。有研究表明，土壤表層50 cm以內(nèi)分布了大量植物根系，植物地下生物量大部分集中在土壤表層[34]。植物根系分布隨土層加深而減少，有機質(zhì)來源減少，下層土壤也更加結(jié)實，阻擋了有機碳向下滲入，且微生物活動也減少，導(dǎo)致了有機碳隨著土層的加深而減少[35-38]。

表5 不同林分類型各土層的土壤理化性質(zhì)

土層(h)/cm土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)/g·kg-1常綠闊葉林針闊混交林杉木林竹林0

土層(h)/cm土壤密度/g·cm-3常綠闊葉林針闊混交林杉木林竹林0

土層(h)/cm土壤總孔隙度/%常綠闊葉林針闊混交林杉木林竹林0

土層(h)/cm土壤毛管孔隙度/%常綠闊葉林針闊混交林杉木林竹林0

土層(h)/cm土壤非毛管孔隙度/%常綠闊葉林針闊混交林杉木林竹林0

森林林分類型的變化對土壤pH、密度的影響，隨土層深度的加深而增加。有研究表明，單純營造針葉林，將會導(dǎo)致林業(yè)土壤酸性增強，土壤pH逐漸降低，土壤板結(jié)沉實，土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，其養(yǎng)分存儲能力下降[39]。然而，在本研究中，由于竹林盛產(chǎn)竹筍，導(dǎo)致人為活動增加，表層土壤因踩踏導(dǎo)致孔隙度降低[40]，土壤板結(jié)，竹林土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于下層土壤[41]，因而竹林土壤pH略高于針闊混交林土壤。

本研究表明，4種林分土壤密度均值為1.04 g·cm-3，密度值小，疏松多孔，透氣透水性好。總體看，針闊混交林和竹林的土壤密度，比闊葉混交林和杉木林的小；針闊混交林和竹林對土壤結(jié)構(gòu)的改善效果較好，每年歸還林地的凋落物多，對增加土壤有機質(zhì)、降低土壤堅實度方面發(fā)揮重要作用，使土壤更加疏松多孔。本研究中，土壤密度隨土層加深而增大；主要是因為在成土過程中，下層土壤由于物質(zhì)的遷移、轉(zhuǎn)化和沉積而更加緊實，表層土壤在大量地表生物影響下，加之密集的根系固土和微生物活動，導(dǎo)致表土疏松多孔，通透性較好[40]。

由表6可見：在15 cm

表層土壤和深層土壤有機碳與理化性質(zhì)呈現(xiàn)不同的相關(guān)性，主要是因為，表層土壤中，由于在地表上落葉、生物活動、人為活動等因素，致使表層土壤中有較多的有機質(zhì)；而隨著土層的加深，由于雨水的淋溶作用、深層細(xì)根的減少和微生物活動的減少，土壤中的有機碳相對減少；因此呈現(xiàn)出有機碳與理化性質(zhì)在不同土層相關(guān)性不同。隨著土層加深，有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加、土壤密度減小、pH也逐漸變小，氮素反而升高[42]。

本研究中，土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，與土壤細(xì)顆粒有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和顆粒有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，表明土壤總氮是影響有機碳組分的關(guān)鍵因素，總氮通過影響顆粒有機碳中的細(xì)顆粒有機碳，影響有機碳穩(wěn)定性。常綠闊葉林轉(zhuǎn)化為竹林后，總氮和有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于常綠闊葉林，說明林型轉(zhuǎn)化后，竹林對土壤表層的養(yǎng)分利用效率降低，更多利用自身土壤中的有機質(zhì)分解，因此，林分轉(zhuǎn)化顯著改變了竹林的凋落物吸收與分解速率，影響竹林有機碳的積累與儲存能力。

本研究中，土壤總孔隙度、毛管孔隙度，與有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、顆粒有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、細(xì)顆粒有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著相關(guān)(P<0.01)，表明土壤孔隙度越大越有利于有機碳的積累。土壤孔隙度影響土壤中水分和氣體的運移與交換[43]，土壤孔隙度增大，可以更好地固持有機碳中的顆粒物，引起顆粒有機碳的變化，促進有機碳的積累。土壤密度，與土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、顆粒有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、細(xì)顆粒有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，表明在下層土壤中，由于植物凋落物和根系分泌物的減少，導(dǎo)致下層土壤養(yǎng)分和水分減少，土壤密度增加，孔隙度降低，微生物分解活動隨著減少，進而導(dǎo)致有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少。這也說明，不同林分類型、不同土壤養(yǎng)分、不同根系分泌物時，有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)也有所不同。

表6 不同林分類型土壤基本理化性質(zhì)與土壤有機碳之間的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

森林類型由常綠闊葉林部分轉(zhuǎn)化為杉木林、竹林后，對土壤有機碳穩(wěn)定性產(chǎn)生影響；不同林分類型的土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、總孔隙度、毛管孔隙度、土壤密度等理化指標(biāo)，可以通過影響顆粒有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)中的細(xì)顆粒有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，影響有機碳穩(wěn)定性。除竹林外，其他3種森林類型的有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨土層的增加而減少，表現(xiàn)出明顯的“表聚效應(yīng)”。